42.5 m全鋁合金海洋指揮船輪機設計

摘 要：本文介紹了42.5 m全鋁合金海洋指揮船輪機設計過程，并著重介紹了主要設備選型及系統設計。

關鍵詞：全鋁合金船舶;輪機設計;設備選型

中圖分類號：U664.933

文獻標識碼：A

1 前言

42.5 m全鋁合金海洋指揮船是由廣州船舶及海洋工程設計研究院設計的沿海航區高速指揮船，主要用于珠江口流域范圍內海洋與漁業行政管理指揮、監督檢查等任務。2020年7月該船建造完成并成功試航，主要性能參數均達到設計指標，性能優良，并順利交付船東。

該船的主要技術參數：

總長

42.5 m

滿載水線長

39.5m

型寬

7.8 m

設計吃水

-1.5m

乘客

37人

船員

8人

設計排水量

160t

最高航速

gt; 25 kn

本船的外形設計充分考慮公務、執法的需求特點，充分融人現代化裝修的時尚元素，外型簡潔、威嚴、美觀又具有運動感。由于本船為單體高速船，具有型深低、吃水淺的特征，重量對航速的影響非常敏感，因此輪機設備的選型要求重量輕、體積小;同時本船為全鋁合金船，防止異種金屬之間的電位腐蝕，貫穿于設備選型、系統設計、建造及使用的全過程。

2 動力推進系統設計

2.1 推進系統組成

推進系統由主推進裝置和主發電機組等組成：主推進裝置為雙機、雙槳;主機為船用高速柴油機，通過高彈性聯軸節、減速齒輪箱、螺旋槳軸及軸承傳動定距螺旋槳。

2.2 主機選型

2.2.1 選型依據

本船采用單體排水型深V高速船型，總長42.5 m、型寬為7.8 m、型深3.1 m、最高航速大于25 kn。基于本船的總體特點以及機艙的布置要求，主機應采用體積小、重量輕、功率大、性能可靠的高速船用柴油機。

根據阻力估算，本船在主機總功率約2 700 kW時可滿足最高航速大于25 kn的要求。

2.2.2選型分析

從技術的先進性、可靠性、使用維修方便性、售后服務便捷性等方面進行綜合考慮，對本船使用的主機進行分析和篩選。

本船采用雙機雙槳推進，單機功率約1350 kW，通過對目前國內外使用的高速柴油機進行對比分析（見表1）。

（1）主機推進特性曲線

表1中三型柴油機在最大功率處均有1個平臺，可保證船在長期使用后，仍能吸收主機發出的最大功率;從柴油機特性曲線看，MTU 12V 2000 M94在2 300 -2 450 r/min的轉速范圍內均可發出1 432 kW的功率，適合中低速大負荷運轉;從柴油機特性看，三型機用作主機性能均較好，都能滿足要求。

（2）主機尺寸及重量

由表1可以看出：CAT C32主機尺寸最大、重量最重;MAN V12-1800主機外形尺寸最小、重量最輕。但總的來看三型機差別不大，均能滿足機艙布置及安裝要求。

（3）價格和大修期

通過對三型柴油機廠商提供的報價分析：MTU機價格相對最高，大修期時間最短;CAT C32機價格最低，大修期時間最長，MAN V12-1800價格具中，大修期相對具中。由于各柴油機廠商對功率的定義、功率使用級別、維修要求有差異，因此對大修期僅進行相對性分析和對比，大修期時間僅供參考。

（4）油耗和排放

從各柴油機的主要性能技術指標分析：CAT C32與MAN油耗較高，MTU相對最低;從排放等級看，均可以滿足IMO TIERⅡ的要求。

（5）功率與平均負載、年使用時間

由表1可以看出：MTU機輸出功率能滿足航速25 kn的功率要求，平均負載及年使用時間最大、最長，可較大程度滿足本船使用要求;CAT C32機E輸出功率能滿足航速25 kn的功率要求，但平均負載及年使用時間較低，對本船使用工況有限制;MAN機能輸出功率與CAT C32柴油機D功率較小，為滿足本船最高航速要求，可供選用的上一檔功率CAT機為CAT 3512B（C功率），該機最大功率為l 379 kW、外形尺寸為3 039×1988×2 074 mm、重量為約6.5 t，尺寸、重量過大。

由上述分析比較可知：MTU公司的12V 2000 M94主機功率較大、平均負載及年使用時間最大、最長，較符合本船的實際使用情況，故選擇MTU 12V 2000 M94作為本船主機。

2.3 發電機組選型

根據船東對噪聲的嚴格要求，本船要選用靜音、重量輕帶隔音罩的發電機組，有科勒/奧南/BETA等品牌可供選擇。通過對三個品牌的對比分析.科勒125EFOZD帶隔音罩的靜音發電機，在發電功率、體積、重量、價格上均具有一定的優勢。

2.4 主機及發電機組安裝

由于本船為全鋁合金船，對異種金屬電位絕緣及保護要求嚴格。本船主機組采用彈性安裝，用環氧墊塊隔離主機組與船體的接觸，用不銹鋼螺栓連接固定，安裝腳加鋁一不銹鋼端子接地線;發電機組采用環氧墊塊或鋼鋁復合墊片隔離與船體的接觸，用不銹鋼螺栓連接固定，安裝腳加鋁一不銹鋼端子接地線。

2.5 軸系材料選擇

軸系材料直接影響推進系統的電位差，通常對鋁合金高速船軸系材料可選用不銹鋼及合金鋼，兩種材質各具有優缺點：

（1）不銹鋼：通常采用304或316L，其優點是與鋁合金相對具有低電差、良好的耐腐蝕性，其缺點是相對合金鋼抗拉強度及屈服強度低，軸徑較大、重量重。

（2）合金鋼：選擇范圍較大，一般Cr合金或Mn合金鋼均可。其缺點是與不銹鋼比電位差大，相對易腐蝕;其優點是抗拉強度及曲服強度相對較高，可減輕軸系的重量。

經統籌考慮推進系統的重量和防腐要求，最終按CCS材料及焊接規范選取（022Cr17Ni12M02）即316L作為本船的軸系材料。

3 動力系統設計

本船動力系統由燃油、滑油、冷卻水、排氣和主推進控制系統等組成。

動力系統管路材料與閥件，皆采用防腐性能優異的316L不銹鋼;所有管道都采用鋁質或不銹鋼吊架，內襯橡膠固定。

在系統設計中，不銹鋼管路穿過鋁質艙壁時設置鋁質通艙管件，管路連接采取絕緣措施，避免異種金屬電位腐蝕。

4 輔助設備選型

在滿足使用功能的情況下，輔助設備要盡量體積小、重量輕。

4.1 生活污水處理裝置

本船乘員37人、船員8人，共45人。選擇生活污水處理裝置需要日處理能力在45人以上。通過對目前國外普遍使用的生活污水處理裝置進行查詢，主要有以下幾種機型可供選擇，主要技術指標見表2。

從表2可以看出，無論從重量還是外形尺寸考慮，化學法BIOCON I最適合本船要求。

4.2 空調裝置

空調系統的選型與配置.直接影響到船艇的整體外觀、船員及工作人員的工作和生活系統，以及精密設備的正常運行和特殊物質的存儲安全。

本船艙室數量較多，多數艙室空間狹小且分散，故要求所選空調要小巧、方便靈活布置。

（1）風機盤管布置

在每個艙室適當位置安裝一個或幾個風機盤管，以運走室內熱量;各艙室的熱量再由安裝在機艙的冷水機組或壓縮冷凝機組通過海水運走。這樣的靈活布置，對艙室空間占用最少，可利用床底、柜子底、桌子底等不易利用的空間安裝風機盤管，使艙室空間得到利用充分;把冷水機組或壓縮冷凝機組等冷熱源設施、冷熱水輸送設施等設備布置在機艙，不占用甲板艙室空間;艙室新風由本船的通風系統風機提供。

（2）空調主機

空調主機目前有三種類型：活塞式冷水機組、螺桿式冷水機組和渦旋式冷水機組。活塞式冷水機組、螺桿式冷水機組無論外形尺寸或重量都比渦旋式冷水機組大和重很多。本船選擇2臺保模塊式冷熱水機組OA-240TCS-B（制冷/熱量：240 000BTU/h），作為本船的空調主機。

4.3 輔助系統管路

輔助系統主要包括：通風系統、艙室空調系統、全船艙底水系統、全船消防水系統、艙室空調系統、艙室噴淋滅火系統、固定式CO，滅火系統、日用淡/海水系統、生活污水收集處理系統、艙底油污水處理系統、壓縮空氣系統、注入、透氣、測量系統、全船甲板疏排水系統、快關閥控制系統及減搖鰭液壓系統等。

（1）消防水系統、艙室噴淋滅火系統、固定式CO2滅火系統、艙底油污水處理系統、壓縮空氣系統、快關閥控制系統及減搖鰭液壓系統等的管系材料，采用防腐性能優異的316L不銹鋼;閥件采用316L不銹鋼;

（2）通風管系材料采用鋁合金薄板以減輕重量;

（3）艙底水系統管系材料：機艙部分采用316L不銹鋼;機艙外部分采用船用PE管;閥件采用316L不銹鋼，以達到防腐與減重的目的;

（4）日用淡/海水系統管系材料：機艙部分采用316L不銹鋼;機艙外部分采用船用PE管;閥件采用316L不銹鋼;

（5）生活污水收集處理系統管系材料：機艙部分采用316L不銹鋼;機艙外采用船用PVC-U管，閥件采用316L不銹鋼;

（6）注入、透氣、測量管系材料：全船甲板疏管系，采用鋁合金管;閥件采用316L不銹鋼;

（7）在系統設計中，不銹鋼管路穿過鋁質艙壁時設置鋁質通艙管件;管路連接采取絕緣措施，避免異種金屬電位腐蝕;所有管道都采用鋁質或不銹鋼吊架，內襯橡膠固定。

5 小結

本船作為全鋁合金高速船，輪機專業在設計過程中對設備配置、系統設計、閥附件重量及材質具有特定的要求，對設備、材質及建造工藝的電化學腐蝕應進行嚴格控制。

本文著重介紹了本船在方案及技術設計過程中的設備配置分析及系統設計的要求，給合分析對比不同設備及材料在全鋁合金船上應用的優缺點及實際選配結果，通過實船建造、試驗，本船輪機的各項技術指標均滿足并超過設計值，印證了對全鋁合金船設計指導思想的正確性。同時，受限于表述及經驗所限，文中難免有不足之處，謹請批評和指正。

參考文獻

[1]輪機1一程手冊[M].北京：人民交通出版社，1993.

[2]船舶設計實用手冊（第3版）輪機分冊{M}.北京：國防工業出版襯：.2013.